一种集成环行器的X波段三维异构集成T_R模组_彭桢哲.pdf
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1、=DOI:1013290/jcnkibdtjs202301006January2023Semiconductor Technology Vol48 No137一种集成环行器的 X 波段三维异构集成 T/模组彭桢哲,李晓林,董春晖,赵宇,吴洪江*(中国电子科技集团公司 第十三研究所,石家庄050051)摘要:微电子机械系统(MEMS)环行器被广泛应用于射频(F)T/微系统中,解决共用天线且收发隔离的问题。基于硅基三维(3D)异构集成工艺,设计了一种集成 MEMS 环行器的 X 波段 T/模组。该模组以高阻硅为介质基板,在硅基板上、下表面电镀金属图形,并堆叠多层硅基晶圆,在硅基模组上封装了集成无源
2、器件(IPD)环行器,完成了多种微波芯片和MEMS 环行器的系统级封装(SiP),将环行器紧凑集成在硅基 T/模组中。模组尺寸为12.0 mm11.3 mm2.0 mm。测试结果表明,在 812 GHz 频带内,模组接收通道增益为 27 dB,接收通道噪声系数小于 3.2 dB;发射通道增益为 33 dB,饱和输出功率大于 2 W。关键词:微电子机械系统(MEMS)环行器;射频(F)微系统;硅基三维(3D)异构集成;硅基 T/模组;系统级封装(SiP)中图分类号:TN454文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)01003706An X-Band 3D Heterogeneous
3、Integration T/Modulewith Integrat CirculatorPeng Zhenzhe,Li Xiaolin,Dong Chunhui,Zhao Yu,Wu Hongjiang*(The 13thesearch Institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)Abstract:Micro-electromechanical system(MEMS)circulator is widely used in radio frequency(F)T/microsystems to solve the problem that receivi
4、ng channel and transmitting channel share thesame antenna but need to be isolated An X-band T/module with integrated circulator was designedbased on silicon-based three-dimensional(3D)heterogeneous integration technology High-resistancesilicon was used as the dielectric substrate in the module Multi
5、-layer silicon-based wafer-stackingtechnology was used to realize the integrated passive device(IPD)circulator packaged in the silicon-based module Therefore the system in package(SiP)integrating a variety of microwave chips andMEMS circulator was realized,and compactly integrated the circulator in
6、the silicon-based T/moduleThe size of the module is 12.0 mm11.3 mm2.0 mm Test results show that within the frequency bandof 812 GHz,the receiving channel gain of the module is 27 dB,the receiving channel noise figure isless than 3.2 dB,the transmitting channel gain is 33 dB,and the saturated output
7、power is morethan 2 WKeywords:micro-electromechanical system(MEMS)circulator;radio frequency(F)microsys-tem;silicon-based three-dimensional(3D)heterogeneous integration;silicon-based T/module;system in package(SiP)EEACC:2250彭桢哲等:一种集成环行器的 X 波段三维异构集成 T/模组=38半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月0引言T/模组用于无线收发系统中,完
8、成接收与发射射频信号的功能,通常以大量单元阵列组合实现系统功能,因此其尺寸、增益等指标对整个系统的影响较为显著1。铁氧体环行器作为一种重要的非互易射频器件,具有正向传输、反向隔离的传输特性,因此常被应用于 T/系统中解决共用天线且收发隔离的问题2。雷达系统的飞速发展对环行器 提 出 了 小 型 化、轻 量 化、易 于 集 成 等 要求34。当前传统的集成方式逐渐不能满足使用需求,而硅基三维(3D)异构集成技术为高集成度、小型化的 T/模组设计提供了新的集成思路5。硅通孔(TSV)、晶圆级键合等工艺的发展实现了T/模组的高密度集成,打破了 2D 集成结构的诸多限制,将电路布局拓展到三维空间中,显
9、著提高了 T/系统的集成度。现有的硅基异构集成 T/模组尚未实现对微电子机械系统(MEMS)环行器的集成,MEMS 环行器通常以独立器件的形式装配在 T/组件中,由分立器件搭建的射频链路存在体积大、功率匹配差、插入损耗大等问题。本文提出基于硅基三维异构集成工艺,实现 MEMS 环行器、滤波器等集成无源器件(IPD)与 T/芯片的一体化集成,进一步提高了 T/模组的集成度,同时提升了模组的装配效率。设计完成的三维异构集成 T/模组具有功能完善、结构紧凑、集成度高的特点。1电路与结构1.1射频链路结构图 1 为 X 波段 T/模组的电路原理图,图中T_in和T_out分别为发射通道输入和输出;_i
10、n和_out分别为接收通道输入和输出。发射状态下,射频信号由收发共用(COM)端口进入模块,通过幅相控制多功能芯片调节信号的幅度和相位6,经功率放大器(PA)芯片放大后通过 MEMS 环行器(CI)输出;接收状态下,射频信号由外部天线(ANT)输入环行器,经过带通滤波器(BFP)滤除带外干扰信号,通过低噪声放大器(LNA)后,进入幅相控制多功能芯片进行幅相加权,最终由 COM 端口输出。图 1T/模组电路原理图Fig.1Schematic diagram of the T/module circuit1.2异构集成结构本文设计的 X 波段硅基异构集成 T/模组封装结构如图 2 所示。对一体化集
11、成的 MEMS 环行器、滤波器、射频传输结构、封装结构进行协同设计。模组中的 T/芯片包含 GaAs 工艺制备的幅相控制多功能芯片、限幅低噪声放大器芯片、功率放大器芯片和 CMOS 工艺制备的串行数据转并行驱动器芯片。采用粘接、引线键合等微组装工艺将芯片内埋在封装腔体中,通过在硅基板上的刻蚀、电镀等工艺获得高精度、低损耗的无源传输结构,实现芯片与芯片、芯片与 MEMS 环行器间的互连。图 2硅基异构集成 T/模组封装结构Fig.2Package structure of the silicon-based heterogeneousintegration T/moduleT/模组由 5 层厚度
12、为 250 m、电阻率 2104cm2的高阻硅构成。由环行器结构决定,需要从射频传输线平面向下制作腔体放置铁氧体,故选取第四层硅基板底面设计环行器传输线所需的金属图形。为提高环行器性能,镂空第五层硅基板,在第四层硅基板顶面、铁氧体正上方粘接永磁体。在第三、四层硅基板重叠的部分设计互补金属图形。在铁氧体正下方,第一层、第二层硅基板上刻蚀出腔体,采用金锡焊料烧结导磁载体,与永磁体形成磁回路。为确保导磁载体的烧结可靠性和良好接地性能,在导磁载体上方、第三层硅基板底面,铺设大面积接地金属图形并电镀厚金。为减小射频传输损耗,环行器的射频传输线与微波芯片的键合引出端应当位于同一层,因此选择第三层硅基板的顶
13、面作为模组的微波信号传输层。彭桢哲等:一种集成环行器的 X 波段三维异构集成 T/模组=January2023Semiconductor Technology Vol48 No139模组底部两层设计为装配芯片的结构支撑层与重布线层(DL);第三、四层为芯片安装层,利用硅基三维异构集成工艺刻蚀出芯片安装腔体;顶层为盖板层,隔离芯片与外部环境,通过大面积铺地实现模组的电磁屏蔽。5 层硅基板通过晶圆级键合堆叠,共同构成封装结构7,并为模组提供散热通路。每层硅基板上、下表面电镀金属图形,形成IPD、传输线和大面积的接地金属;每层硅基板中分布大量的 TSV,实现垂直互连,保证接地良好。TSV 与接地金属
14、层共同构成模组的电磁屏蔽体系 8。1.3MEMS环行器设计基于上述硅基三维异构集成结构,设计了三端口 H 面 Y 结 MEMS 环行器。环行器中心结由互成120的微带线 Y 结和放置在结中心的圆柱形铁氧体构成,铁氧体尺寸应当使器件的固有反射最小。对于一个无耗三端口网络,根据散射矩阵的幺正特性,实现环行的充要条件为 3 个射频端口均匹配。铁氧体尺寸的初始值由环行器的谐振中心频率确定,应当满足9 r=1.84 c02 f01(1)式中:r 为铁氧体圆柱面的半径;1为磁性材料的相对介电常数;f0为环行器的中心频点;c0为光速,取c0=3.0108m/s。由式(1)得到铁氧体尺寸的初始理论值,利用高频
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